Kusurlar ve Stokiyometrik Olmayış
Gerçek kristaller, termodinamikten kaçınılmaz olarak ortaya çıkan ve stokiyometrik olmayışa, iyonik iletkenliğe ve renge neden olan kusurlar (eksik, fazla veya ikame edilmiş atomlar) içermektedir.
Tanım
Kusurlar, bir kristalin ideal periyodik düzenlemesinden sapmalardır; izole nokta kusurlarından genişletilmiş hatalara kadar uzanmaktadır. Stokiyometrik olmayış ise, bir bileşiğin bileşiminin basit tam sayı oranlarından uzaklaşmasıyla ortaya çıkan varyasyondur.
Kapsam
Bu konu, kristal yapılı inorganik katılardaki kusurları kapsamaktadır: içsel nokta kusurları (Schottky ve Frenkel), katkılama (doping) kaynaklı dışsal kusurlar, bazı kusur konsantrasyonunu kaçınılmaz kılan termodinamik, bunları tanımlamak için kullanılan Kröger–Vink gösterimi ve eşlenik kusur oluşumu ile yükseltgenme durumu değişimi yoluyla bileşimin sürekli olarak değiştiği stokiyometrik olmayan bileşikler. Ayrıca, kusurların iyonik iletkenlik ve renk üzerindeki rolüne de değinilmektedir. Bu konu, sıkı paketleme konusunda ele alınan ideal yapılar yerine kusurları incelemektedir.
Temel sorular
- Gerçek kristaller neden denge durumunda bile kusurlar içermek zorundadır?
- Schottky ve Frenkel kusurları nelerdir?
- Eşlenik kusur oluşumu stokiyometrik olmayışa nasıl yol açmaktadır?
- Kusurlar iyonik iletkenliğe ve renge nasıl neden olmaktadır?
Anahtar kavramlar
- Nokta ve genişletilmiş kusurlar
- Schottky ve Frenkel kusurları
- Kröger–Vink gösterimi
- Katkılama (Doping) ve dışsal kusurlar
- Stokiyometrik olmayış ve karışık değerlik
- Kusurlar ve iyonik iletkenlik
Temel kuramlar
- İçsel nokta kusurları
- Termal düzensizlik, Schottky kusurları (eşlenik katyon-anyon boşlukları) ve Frenkel kusurları (bir iyonun ara boşluk konumuna yer değiştirmesi) oluşturmaktadır; bunların denge konsantrasyonu, oluşum entalpisi ile konfigürasyonel entropi arasındaki denge tarafından belirlenmektedir.
- Kusur dengelerinin Kröger–Vink tanımı
- Kröger–Vink gösterimi, kusurları etkin yüklere sahip türler olarak ele almaktadır; bu sayede bunların oluşumu ve etkileşimi dengeli denklemler olarak yazılabilmekte ve sıradan kimyasal reaksiyonlar gibi analiz edilebilmektedir.
- Stokiyometrik olmayış ve karışık değerlik
- Bir bileşik, birden fazla erişilebilir yükseltgenme durumuna sahip bir element içerdiğinde, boşluklar veya ara boşluklar oluşabilmekte ve yük dengesi o elementin yükseltgenme durumu değiştirilerek korunabilmektedir; bu da sürekli değişen bileşimler sağlamaktadır.
Klinik önem
Kusur kimyası, pillerde ve yakıt hücrelerinde katı elektrolitlerin ve elektrotların performansını, yarı iletkenlerin ve sensörlerin davranışını, minerallerin ve pigmentlerin rengini kontrol etmektedir; bu da onu fonksiyonel malzemeler için merkezi bir konuma getirmektedir.
Tarihçe
Nokta kusurlarının termodinamik teorisi, 1920'lerde ve 1930'larda Frenkel, Schottky ve Wagner tarafından geliştirilmiştir; bu bilim insanları, sonlu sıcaklıkta kusurların kaçınılmaz olduğunu göstermişlerdir. Kröger ve Vink'in 1956'daki gösterimi, kusur dengelerini sistemleştirerek, kusurların incelenmesini katı hal kimyasının nicel bir dalına dönüştürmüştür.
Öne çıkan isimler
- Walter Schottky
- Yakov Frenkel
- Carl Wagner
- Ferdinand Kröger
İlgili konular
Temel eserler
- kroger1956
- west2014
- weller2018
Sıkça sorulan sorular
- Bir kristal neden oda sıcaklığında mükemmel şekilde düzenli olamaz?
- Bir kusur oluşturmak enerjiye mal olmaktadır ancak atomların düzenlenebileceği yolların sayısını büyük ölçüde artırarak entropiyi yükseltmektedir; mutlak sıfırın üzerinde bu entropik kazanç, belirli bir denge kusur konsantrasyonunu termodinamik olarak elverişli hale getirmektedir, bu nedenle mükemmel düzenli bir kristal mümkün değildir.
- Bir bileşik nasıl değişken bir bileşime sahip olabilir?
- Eğer bileşik, birden fazla kararlı yükseltgenme durumuna sahip bir element içeriyorsa, o elementin yükseltgenme durumunu ayarlayarak toplam yükü korurken boşlukları veya fazla atomları barındırabilmektedir; böylece metal-ametal oranı basit bir tam sayıdan sapabilmektedir.